Biotechnological tools applied to the improvement of persimmon (Diospyros kaki Thunb) culture

Abstract

[ES] El cultivo del caqui ha crecido enormemente en la región Valenciana en los últimos 20 años al presentarse como una alternativa interesante al cultivo de cítricos. Sin embargo, su cultivo se enfrenta a tres problemas importantes. En primer lugar, su producción es monovarietal y se centra en la variedad Rojo Brillante, lo que conlleva un riesgo sanitario y de mercado importante que pone de manifiesto la necesidad de aumentar el número de variedades disponibles. En segundo lugar, el cambio climático pone en peligro la producción de caqui en zonas mediterráneas debido a un aumento en la salinidad del agua y suelo. La salinidad afecta especialmente al caqui debido a sus efectos sobre la producción, calidad y postcosecha de la fruta. La falta de patrones tolerantes a la salinidad compatibles con las condiciones de cultivo además agrava este problema, por lo que es necesario el desarrollo de patrones clonales tolerantes a la salinidad. En tercer lugar, la industria del caqui está basada en la aplicación de tratamientos postcosecha de desastringencia. Aunque existen variedades naturalmente no astringentes, su uso en el Mediterráneo es complicado debido a la incompatibilidad con los patrones existentes. Además, la salinidad afecta gravemente la eficacia del tratamiento de desastringencia. Por ello, cabe destacar que se necesita más información acerca de los mecanismos moleculares que controlan el desarrollo de la astringencia para poder desarrollar nuevas variedades y/o unos tratamientos de desastringencia más efectivos. En el contexto de la mejora genética y la biología molecular, pueden distinguirse tres objetivos para mejorar las condiciones de cultivo en esta región: el desarrollo de nuevas variedades de caqui con una época de madurez distinta a Rojo Brillante, el desarrollo de patrones clonales tolerantes a la salinidad y compatibles con variedades no astringentes y la obtención de nuevos conocimientos acerca de las bases moleculares del mecanismo de regulación de la astringencia para optimizar los tratamientos postcosecha. La presente tesis ha contribuido a estos tres objetivos. Respecto a la obtención de nuevas variedades, se ha desarrollado un análisis de diversidad genética del banco de germoplasma del IVIA, lo que es un recurso importante para la planificación de cruces. Para asegurar una mejora genética eficiente y evitar redundancias en la colección, se ha efectuado un análisis de diversidad usando secuencias microsatélites. El análisis ha arrojado datos de gran utilidad, como el descubrimiento de alelos únicos, que permiten la identificación rápida de variedades, o la división de la colección de acuerdo con el tipo de astringencia del fruto, confirmando el fondo genético común de las accesiones que comparten este carácter. Además, el mapa de las relaciones filogenéticas generado será de gran utilidad para la planificación futura de cruces dentro del programa de mejora de caqui. Para abordar el problema de la salinidad, se han realizado distintos ensayos de estrés salino en invernadero con distintas poblaciones de especies utilizadas como patrón de caqui: Diospyros virginiana (tolerante a salinidad), Diospyros kaki (sensible a salinidad y compatible) y Diospyros lotus (sensible a salinidad). Además, debido a los caracteres de gran interés presentes en estas dos especies, se incluyó en los ensayos una población proveniente de un retrocruce entre D. kaki y D. virginiana. Como resultado, varios individuos de estas poblaciones se han seleccionado debido a su tolerancia a la salinidad, ya que podrían tener las características adecuadas para ser patrones clonales. Complementariamente, se han usado aproximaciones fisiológicas, transcriptómicas y de secuenciación masiva de transcriptoma para hacer una primera descripción de los mecanismos de tolerancia a la salinidad presentes en estas especies. Como resultado, se han descrito los principales caracteres relacionados con la tolerancia a la salinidad en el género Diospyros, como la compartimentalización de iones, la expresión en raíz de un gen similar a HKT-1, la abundancia de canales de cloruro o la arquitectura de raíz. Finalmente, para obtener más información sobre la biosíntesis de proantocianidinas, la molécula responsable de la astringencia, se formuló la hipótesis de la existencia de un complejo proteico del tipo MBW (MYB-bHLH-WD40) que podía regular la ruta molecular de forma análoga a la regulación existente en otras especies estudiadas. En primer lugar se secuenció un gen tipo WD40, posible ortólogo de TTG1 de Arabidopsis thaliana. El papel de este gen y otros genes del hipotético complejo (MYB2, MYB4 y MYC1) han sido estudiados mediante un análisis transcriptómico en distintos estadios de madurez de frutos astringentes y no astringentes. Además, se ha observado mediante microscopía la localización celular de estos genes mediante la expresión transitoria con fusión con fluorescencia en hojas de Nicotiana benthamiana y hemos analizado su interacción mediante ensayos de doble híbrido en levadura y BiFC (complementación bimolecular de fluorescencia) mediante expresión transitoria en hojas de Nicotiana benthamiana. Finalmente, hemos analizado los efectos de estos genes y de sus interacciones en la ruta de biosíntesis de proantocianidinas usando el promotor del gen ANR (antocianidin reductasa) y promotores de los genes reguladores MYC1 y MYB4, fusionándolos con una luciferasa como gen delator y coexpresándolos con distintas combinaciones de los genes del complejo MBW mediante expresión transitoria en hojas de Nicotiana benthamiana. Los resultados de estos ensayos confirman la interacción nuclear de estos genes y su papel en la regulación de la producción de la astringencia, dando lugar a un modelo básico con algunas diferencias a los propuestos en otras especies.

[EN] Persimmon culture has vastly grown in the last 20 years as an alternative to citrus production in the Valencian region. However, its production faces three important problems. First, monovarietal production based on Rojo Brillante is a sanitary and market risk that requires to increase the number of varieties available. Second, climate change has threatened persimmon production in the Mediterranean areas because the salinity increase in water and soil. Salinity severely affects production, quality and postharvest life of the fruit. The lack of salt-tolerant rootstocks compatible with the cultural conditions aggravates the problem; hence clonal salt-tolerant rootstocks are needed. Third, persimmon industry relies on the postharvest deastringency treatment of the varieties. Even though there are varieties that are naturally non-astringent, its culture in the Mediterranean area is limited due to rootstock incompatibility. Additionally, the costly postharvest treatment is also affected by salinity. Consequently, more information is needed about the molecular mechanism of astringency biosynthesis in persimmon fruit in order to develop new varieties and/or more effective treatments for removing astringency of the fruit. In the context of breeding and molecular biology, three goals need to be approached in order to improve the cultural conditions: development of new persimmon varieties with maturity date different from Rojo Brillante, development of salt-tolerant clonal rootstocks compatible with non-astringent varieties and research on the molecular bases of the mechanism of astringency production to optimize the postharvest treatments. This research contributes and provides knowledge to address these goals. Concerning breeding of new varieties, the IVIA persimmon germplasm collection is an important resource for breeding of new varieties. To ensure efficient breeding and avoid redundancy in the collection, a SSR analysis was carried out to solve this problem. This analysis has provided useful data, such as the discovery of unique alleles, that allows rapid identification of varieties or the division of the population according to its astringency type, confirming the common genetic background of the accessions concerning to this trait. The generated genetic diversity map will be useful for designing crosses in the breeding program. To address the salinity problem, several salt-stress assays were done in greenhouse using different persimmon rootstocks populations: Diospyros virginiana (salt-tolerant), Diospyros kaki (salt-sensitive fully compatible) and Diospyros lotus (salt-sensitive). Furthermore, due to the desirable characters present in these species, a backcross progeny between D. kaki and D. virginiana was obtained and included in the salt-stress assays. Thus, several individuals from all the populations have been selected, which are tolerant to salinity and could meet the desired characteristics for appropriate persimmon clonal rootstocks. Furthermore we have used physiological, transcriptomic and mass transcriptome sequencing approaches in order to discover the physiological and genetic bases of salinity tolerance in these species. As a result, we described the main facts related to salinity tolerance mechanisms in Diospyros species, such as ion compartmentalization, HKT-1-like root expression, abundancy of chloride channels and root architecture. Finally, in order to get a deeper insight on the biosynthesis of proanthocyanidins, the responsible molecule of astringency, we hypothesized the presence of a MBW protein complex (MYB-bHLHWD40) in persimmon fruit, involved in the regulation of the proanthocyanidins synthesis pathway in a similar way to other species. We firstly sequenced the putative persimmon WD40 orthologue of TTG1 gene from Arabidopsis thaliana. The role of this gene and other genes of the complex (MYB2, MYB4 and MYC1) was studied through transcriptomic analysis in different stages of nonastringent and astringent fruit. Furthermore, we have observed through microscopy the subcellular localization of these genes using fluorescent protein fusions and transient expression in Nicotiana benthamiana leaves, and analyzed its interaction through yeast twohybrid assays and BiFC (bimolecular fluorescence complementation) experiments in Nicotiana benthamiana leaves. In addition, we have analyzed the effects of these interactions in the pathway of proanthocyanidin biosynthesis using the ANR (anthocyanidin reductase) gene promoter and the promoters of some of these genes (MYB4 and MYC1) fused with a luciferase reporter, together with the coexpression of the MBW genes using transient expression in Nicotiana benthamiana leaves. The results of these assays have confirmed the nuclear interaction of these genes and its role in the regulation of astringency biosynthesis, providing a basic model with some differences with respect to the models proposed in other species.

[CA] El cultiu del caqui ha crescut enormement en la regió Valenciana en els últims 20 anys al presentar-se com una alternativa interessant al cultiu de cítrics. No obstant, el seu cultiu s’enfronta a tres problemes importants. En primer lloc, la seua producció es monovarietal i està centrada en la varietat Rojo Brillante, el que suposa un risc sanitari i de mercat important que posa de manifest la necessitat de augmentar el nombre de varietats disponibles. En segon lloc, el canvi climàtic posa en perill la producció de caqui a la zona mediterrània degut a un augment en la salinitat del aigua i del sòl. La salinitat afecta de forma especialment al caqui degut al seus efectes sobre la producció, qualitat i vida post collita de la fruita. La falta de patrons tolerants a salinitat compatibles amb les condicions de cultiu a més agreuja aquest problema, pel que es necessari el desenvolupament de patrons clonals tolerants a salinitat. En tercer lloc, la industria del caqui esta basada en la aplicació de tractaments post collita de deastringència. Encara que existixen varietats naturalment no astringents, el seu us al mediterrani es complicat degut a la incompatibilitat en els patrons existents. A més, la salinitat afecta gravement a la eficàcia del tractament post collita de deastringència. Per això, cal destacar que es necessita conèixer millor els mecanismes moleculars que controlen el desenvolupament de la astringència per a la obtenció de noves varietats i/o uns tractaments post collita més efectius. En aquest context de millora genètica i biologia molecular, es poden distingir tres objectius per a millorar les condicions del cultiu en aquesta regió: el desenvolupament de noves varietats de caqui en una època de maduresa distinta a la de Rojo Brillante, el desenvolupament de patrons clonals tolerants a salinitat i compatibles amb varietats no astringents i la obtenció de nous coneixements sobre les bases moleculars del mecanisme de producció de astringència per optimitzar els tractaments post collita. La present tesi ha contribuït a aquests tres objectius. En el que respecta a la obtenció de noves varietats, s’ha desenvolupat un anàlisi de diversitat genètica del banc de germoplasma de l’IVIA, el qual es un recurs important per a la planificació de creuaments. Per a assegurar una millora genètica eficient i evitar redundàncies a la col·lecció, s’ha efectuat un anàlisi en microsatèl·lits. El anàlisi ha resultat en dades de gran utilitat, com el descobriment de al·lels únics, que permiteixen la identificació rapida de varietats, o la divisió de la col·lecció d’acord en el tipus d’astringència del fruit, confirmant el fons genètic comú de les accessions que comparteixen aquest caràcter. A més, el mapa de les relacions filogenètiques elaborat serà de gran utilitat per a la planificació futura de creuaments dins del programa de millora de caqui. Per a abordar el problema de la salinitat, s’han realitzat distints assajos d’estrés salí en hivernacle amb distintes poblacions de patró de caqui: Diospyros virginiana (tolerant a salinitat), Diospyros kaki (sensible a salinitat i amb compatibilitat) i Diospyros lotus (sensible a salinitat). A més, degut als caràcters de gran interès presents en aquestes dos espècies, es va incloure en els assajos una població provenient de un retrocreuament entre D. kaki i D. virginiana. Com a resultat, diversos individus d aquestes poblacions s’han seleccionat degut a la seua tolerància a salinitat, ja que podrien tindre les característiques adequades per a ser patrons clonals. Complementàriament, s’han utilitzat aproximacions fisiològiques, transcriptòmiques i de seqüenciació massiva de transcriptoma per a fer una primera descripció dels mecanismes de tolerància a salinitat presents en aquestes espècies. Com a resultat s’han descrit els principals caràcters relacionats amb la tolerància a la salinitat en el gènere Diospyros, com la compartimentalització de ions, la expressió en arrel de un gen similar a HKT-1, la abundància de canals de clorur o la arquitectura de la arrel. Finalment, per a obtenir mes informació sobre la biosíntesi de proantocianidines, la molècula responsable de la astringència, es va formular la hipòtesi de la existència de un complex proteic del tipus MBW (MYB-bHLH-WD40) que podria regular la ruta molecular de forma anàloga a la regulació existent en altres espècies estudiades. En primer lloc, es va seqüenciar el gen ortòlog putatiu del tipus WD40 de TTG1 de Arabidopsis thaliana. El paper de aquest gen i altres gens del hipotètic complex (MYB2, MYB4 i MYC1) han sigut estudiats mitjançant un anàlisi transcripcional en diferents estats de maduresa de fruits astringents i no astringents. A més, s’ha observat amb microscòpia la localització cel·lular de aquestos gens mitjançant la expressió transitòria amb fusió a fluorescència en fulles de Nicotiana benthamiana i hem analitzat la seua interacció amb un assaig de doble híbrid en llevat i BiFC (complementació bimolecular de fluorescència) mitjançant expressió transitòria en fulles de Nicotiana benthamiana. Finalment hem analitzat els efectes de aquests gens i de les seues interaccions en la ruta de biosíntesi de proantocianidines utilitzant el promotor del gen ANR (antocianidin reductasa) i promotors dels gens reguladors MYC1 i MYB4 fusionant-los amb una luciferasa com a gen delator i coexpressant-los amb diferents combinacions dels gens del complex MBW mitjançant expressió transitòria en fulles de Nicotiana benthamiana. Els resultats de aquests assajos confirmen la interacció nuclear de aquestos gens i el seu paper en la regulació de la producció de la astringència, donant lloc a un model bàsic amb algunes diferències als proposats en altres espècies.